Controlli non distruttivi

ESAME DI STATO

CONTROLLI NON DISTRUTTIVI DEI MATERIALI

METALLICI:

METODO ULTRASONICO

1. Generalità

2. Generazione degli ultrasuoni

2.1 Sonde

2.1.1 Accoppiamento ultrasonico

3. Fisica degli ultrasuoni

3.1 Tipi di onde

3.2 Riflessione, rifrazione e diffusione

3.3 Parametri fondamentali

4. Schema generale di funzionamento degli apparecchi ad

ultrasuoni

5. Parametri che influenzano il rilevamento dei difetti

6. Tecniche d'esame

7. Vantaggi e svantaggi

PISCOPO GABRIELE ESAME DI STATO

1. Generalità

L’esame ultrasonico dei metalli è impiegato principalmente per il rilevamento dei difetti

presenti all’interno del pezzo da controllare. Questo esame può essere applicato alla maggior

parte dei metalli e delle leghe di interesse tecnologico.

I difetti che possono essere rivelati comprendono:

 vuoti;

 cricche;

 inclusioni;

 soffiature;

 cavità di ritiro.

Detto esame sfrutta il fenomeno della riflessione degli ultrasuoni da parte dei difetti

all’interno dei pezzi.

Gli ultrasuoni sono vibrazioni meccaniche che si propagano in un mezzo elastico con

frequenza superiore a 16 KHz. Concettualmente non esiste alcuna differenza tra suoni e

ultrasuoni; si chiamano con nomi diversi per l’udibilità o meno da parte dell’orecchio umano

il quale percepisce vibrazioni con frequenza variabile da 20 a 16000 Hz.

I suddetti difetti sono rilevabili quando le loro dimensioni sono tali che l’onda ultrasonica che

li investe ne possa essere in parte riflessa. Ne consegue che il campo delle frequenze usate negli

apparecchi per gli esami non distruttivi varia da 0,3 a 25 MHz perché, a frequenze inferiori, le

l

onde sonore hanno una lunghezza d’onda troppo superiore alle dimensioni dei difetti critici

per il materiale, per cui rischiano di aggirare il difetto senza incontrarlo e quindi senza

rilevarlo.

L’esame con ultrasuoni ha un campo di applicazione molto vasto per i seguenti motivi:

 sensibilità elevata;

 rapidità d’esame;

 valutazione nei pezzi di difetti in superficie e in profondità;

 gli apparecchi usati sono maneggevoli e non ingombranti;

 costi degli apparecchi limitati e costi d’esercizio modesti;

 nessun pericolo per l’operatore.

2. Generazione degli ultrasuoni

Le tecniche impiegate per la generazione degli ultrasuoni con la frequenza necessaria per

l'esecuzione dei controlli non distruttivi, si basano sostanzialmente su una particolare

proprietà, denominata "piezoelettricità", posseduta da determinate sostanze cristalline, quali il

quarzo, il tintanato di bario ed il solfato di litio.

Tali materiali, infatti, tagliati in lamelle secondo le direzioni rispondenti alle caratteristiche

cristallografiche, dispongono delle seguenti proprietà:

 sottoponendo a compressione e trazione le facce opposte dei cristalli piezoelettrici, si ha

la generazione di cariche elettriche di polarità opposta, a seconda che le sollecitazioni

sono di compressione o di trazione;

 applicando sulle facce opposte della sorgente piezoelettrica delle cariche elettriche, si

producono fenomeni di contrazione e di dilatazione delle lamelle medesime.

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Sfruttando dette proprietà è possibile sia produrre gli ultrasuoni sia captarli.

2.1 Sonde

Le placchette piezoelettriche di quarzo hanno dimensioni da qualche millimetro a 30 mm. Il

contenitore della placchetta piezoelettrica, detta "Sonda" o "Trasduttore", è costituito dalla

suddetta placchetta con le due facce opposte argentate e collegate elettricamente con il

generatore di d.d.p. (differenza di potenziale).

La faccia della placchetta piezoelettrica che è posta a contatto del pezzo da esaminare, non è

scoperta ma viene protetta con una sottile lamina di alluminio o di rame o di materiale

plastico.

In figura sotto è rappresentata una sonda o trasduttore.

Il trasduttore viene accoppiato opportunamente al pezzo da esaminare in modo da

trasmettere in esso le vibrazioni ultrasoniche; data l'elasticità dei materiali, le molecole che

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compongono il pezzo si metteranno a vibrare attorno alla loro posizione di equilibrio

trasmettendo così queste vibrazioni a tutto il pezzo in esame.

Esistono vari tipi di sonde che vanno scelte in base alle caratteristiche geometriche (spessore,

curvatura, ecc.) e fisiche (natura del materiale, struttura cristallina, trattamenti subiti, ecc.)

del materiale in esame ed in base alla natura, alla disposizione ed al valore minimo della

discontinuità che si vuole rilevare.

Gli elementi che maggiormente influenzano la scelta delle sonde sono:

 Frequenza: le frequenze elevate consentono una maggior risoluzione e selettività di

controllo, in quanto le dimensioni minime di una discontinuità riflettente devono essere

dell'ordine di un quarto della lunghezza d'onda US indotta nel materiale. Per contro,

tanto maggiore è la frequenza, tanto maggiore è l'attenuazione subita dagli ultrasuoni

nel materiale in esame;

 Dimensioni: le dimensioni geometriche del trasduttore influenzano l'apertura del fascio

di ultrasuoni emessi. Un trasduttore con elemento piezoelettrico di maggiori

dimensioni consente l'esplorazione di una maggior parte dell'elemento sotto controllo.

Poichè l'energia applicata al trasduttore resta pressochè costante al variare delle

dimensioni dello stesso, la densità di energia ultrasonica, nella zona prossima o

cilindrica del fascio, sarà inferiore in un trasduttore di grandi dimensioni e quindi uno

stesso difetto fornisce una riflessione più debole se esplorato con un trasduttore di

maggiore area emittente.

 Angolo d'emissione: l'angolo indicato sulla sonda è quello compreso tra la normale alla

superficie di contatto della sonda e la direzione di propagazione del fascio ultrasonico

nell'acciaio. Il criterio di scelta di tale angolo è determinato da motivi inerenti alla

geometria del pezzo e del tipo di onde che si vogliono instaurare nel pezzo in same

(longitudinale, trasversale o superficiale).

 Zona morta: quando un'unica sonda agisce sia da trasmettitore che da ricevitore, è

intuitivo come l'apparecchio non sia in grado di separare l'eventuale segnale di

riflessione prima che sia terminata l'emissione dell'impulso ultrasonico. Ciò determina

la cosiddetta zona morta del trasduttore che è tanto maggiore quanto più bassa è la sua

frequenza di funzionamento.

Detta zona morta può risultare aumentata dalle riflessioni che si generano nel

passaggio degli ultrasuoni dal trasduttore al pezzo in esame, in misura tanto maggiore

quanto più la superficie di contatto è irregolare.

2.1.1 Accoppiamento Ultrasonico

Effettuando il controllo con gli ultrasuoni, oltre a quanto considerato, bisogna sempre tenere

in considerazione l'accoppiamento tra il trasduttore ed il pezzo in esame.

Poichè gli ultrasuoni vengono fortemente attenuati dall'aria, occorre sempre interporre un

mezzo di accoppiamento fluido tra trasduttore e parte in esame, realizzando il cosiddetto

accoppiamento ultrasonico. Tale mezzo fluido è normalmente costituito da acqua, acqua

emulsionata, soluzione acquosa di carbossilmetilcellulosa, nafta e olii minerali in genere con

viscosità variabile secondo l'inpiego, grasso, fluidi speciali per l'inpiego ad alte temperature,

ecc.

Finchè il mezzo d'accoppiamento mantiene spessori inferiori ad un ventesimo della lunghezza

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d'onda degli ultrasuoni in esso propagantesi, nessuna sensibile perturbazione viene apportata

alla propagazione degli ultrasuoni stessi.

Quando lo spessore del mezzo di accoppiamento diventa confrontabile con la lunghezza

d'onda, esso influenza in modo significativo la trasmissione dell'ultrasuono dal cristallo al

pezzo.

Per uno spessore pari a mezza lunghezza d'onda, il mezzo di accoppiamento funge da

trasformatore di impedenza acustica ottenendo di massimizzare l'energia in trasmissione. Tale

valore di spessore è di qualche decimo e, quindi, riscontrabile, in pratica, a fronte di superfici

lisce. Non lo sarà, invece, su superfici rugose per i quali è inevitabile una riduzione della

sensibilità del controllo ed un aumento della zona morta imputabile alle riflessioni dalla

superficie cristallo-olio.

In definitiva è opportuno preparare le superfici per il controllo: il tempo impiegato in questa

fase preliminare verrà largamente recuperato in seguito nel corso del controllo, sia per

l'accresciuta rapidità di operazione che per l'eliminazione di una notevole fonte di disturbi

sull'apparecchio oltre a non suscitare frequenti dubbi nell'operatore.

3. Fisica degli ultrasuoni

3.1 Tipi di onde

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Le vibrazioni elastiche prodotte con i generatori d’ultrasuoni, in base al modo con cui si

propagano nei materiali solidi, si distinguono nei seguenti tipi:

Onde longitudinali:sono prodotte da trasduttori normali che generano vibrazioni nella stessa

direzione di propagazione dell'onda.

Esse sono rappresentate in figura. In (a) si rappresentano le particelle del pezzo in esame

quando è in quiete. In (b) si rappresentano le stesse particelle sottoposte ad onde di

compressione: nell'istante t si comprimono le particelle della zona A, nell'istante t la

1 2

compressione si è propagata alle particelle B ecc.., senza però avere alcuno spostamento della

materia.

Onde trasversali: sono prodotte da trasduttori angolari che generano vibrazioni in direzione

perpendicolare al verso di propagazione dell'onda.Nella figura si vedono le onde trasversali

che si propagano nel senso della freccia AB mentre le singole particelle oscillano nel modo

indicato dalle freccette intorno ad una posizione media che riprenderanno una volta cessato

l'arrivo delle onde ultrasonore.

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Onde superficiali : si propagano interessando esclusivamente un piccolo spessore della

superficie e seguendo le curvature della superficie stessa; sono chiamate anche onde di

Rayleigh (dal nome dello scienziato Rayleigh che per primo studiò, nel 1875, queste onde

relativamente ai terremoti di cui sono le principali componenti) e con il loro comportamento

permettono di rilevare cricche e fessure superficiali dei pezzi. Per generare queste onde, si

impiegano trasduttori particolari con angolazione superiore a 60°.

3.2 Riflessione, rifrazione e diffusione

PISCOPO GABRIELE ESAME DI STATO

Quando un fascio ultrasonoro colpisce la superficie di separazione tra due mezzi, avvengono

gli stessi fenomeni di quelli di un fascio luminoso:

- Riflessione.

- Rifrazione.

- Diffusione.

Se il mezzo in cui avviene la propagazione è un materiale solido può aversi una propagazione

contemporanea di onde longitudinali e onde trasversali con angoli di propagazione differenti;

d'incidenza

esiste però un angolo limite al di sopra del quale nel mezzo si propagano solo

al

onde trasversali e un secondo angolo limite di sopra del quale non avviene più la

propagazione di onde trasversali ma solamente di onde superficiali.

Per comprendere l'argomento si considerino i seguenti casi:

(Con s'indica in questo caso e nei successivi l'angolo tra la direzione del fascio

ultrasonoro incidente e la normale alla superficie di incidenza.) Le onde ultrasonore si

propagano nel mezzo sotto forma di onde longitudinali nella stessa direzione delle onde

incidenti.

L'angolo di

è

incidenza piuttosto

piccolo. In tale situazione si

avrà nel mezzo A la

propagazione di due fasci

d'onda ultrasonori:

- Il fascio L, di onde

longitudinali, inclinato di

L.

- Il fascio T, di onde T.

trasversali, inclinato di

Se, nei confronti

del caso precedente, si

aumenta il valore sino ,

dell'angolo di incidenza a un determinato valore denominato primo angolo limite,

T L L

anche gli angoli e aumentano sino a che diviene uguale a 90°: in tal caso la

componente L diviene nulla e resta solo la componente trasversale T.

=Continuando , T

ad aumentare proporzionalmente aumenta anche sino a

e

divenire uguale a 90°. In tal caso quest'angolo è chiamato "Secondo angolo limite":